东北大学秦皇岛分校控制工程学院
自动控制系统课程设计
基于PLC的污水处理系统设计
专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师 设计时间
自动化
5090309 李伟 高原
2013.7.8~2013.7.19
绪论
随着我国经济的快速发展，人民生活水平逐步提高，随之带来一系列的环境问题，特别是水环境的污染问题。我国政府对水污染的重视程度正在逐步提高，目前我国对大中城市的生活污水和工业污水己采取了一定的治理措旌，但中小城镇污水的处理情况不容乐观。全国许多小城镇没有污水处理设施 ，这不仅污染了当地水环境，影响了居民的身体健康，而且严重阻碍了经济的发展。为此，改善水环境，保护我国紧缺的水资源，成为刻不容缓的事情。
序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactors，简称SBR)符合中小城市(镇)污水处理的基本要求，其运行条件与中小城市(镇)污水的基本特征接近。SBR工艺集调节、初沉、曝气、二沉等过程于一池，按不同的时间顺序进行不同的操作，所有过程都在一个池体内进行，不需另建二沉池，也不需专用的回流污泥泵房，使水处理工艺简洁易行，构筑物占地少，布局紧凑合理，节省投资。SBR工艺抗冲击负荷能力较强，有较好的脱氮除磷效果，是一种先进的污水处理系统。SBR工艺的这些优越性表现了其强大的生命力与广阔的应用前景。同时，SBR法本身也有一些缺点，主要表现为操作比较复杂，对自动化控制的要去较高。所以设计一套稳定可靠，节能，低成本的控制系统是十分必要的。
可编程控制器是专为工业环境下应用而设计，它采用可编制程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各类型的机械或生产过程。是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐步发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。PLC具有可靠性高、使用方便、编程简单、体积小、重量轻等特点。目前，全世界PLC生产厂家约为200家，生产300多个品种。作为控制装置，它在许多工业领域都得到广泛的应用。随着微处理器技术和现代通信技术的发展，PLC也得到了迅速发展，其技术和产品日趋完善
将PLC应用于污水处理中大大提高了自动化程度，减少了人力投入，降低了成本。
1 系统主体设计
1.1 常用的工业污水处理工艺
不同的工业污水处理对象，不同的工业污水处理环境，将需要有不同的工业污水处理工艺来处理。因此，在选择工业污水处理工艺的时候必需要认真考虑当地污水的情况，以及实际的工业污水处理的环境。
工业污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。目前，工业污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。常用的工业污水处理工艺有以下几种。
（1）传统活性污泥法。传统活性污泥处理法是一种最古老的工业污水处理工艺，其工业污水处理的关键组成部分为沼气池与沉淀池。污水中的有机物在曝气池停留的过程中，曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。
（2）A/O法。A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一种缺氧----好氧生物工业污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化----反硝化反应系统，很好的处理了污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果。但是此硝化----反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点
（3）A2/O法。A2/O法也是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种工业污水处理工艺，其中A2，即A-A，前一个A代表Anaerobic（厌氧的），后一个A代表Anoxic（缺氧的）；O代表（好氧的）。A2/O是一种厌氧—缺氧—好氧工业污水处理工艺。A2O法的除磷脱氮效果非常好，非常适合用于对除磷脱氮有要求的工业污水处理。因此，在对除磷脱氮有特别要求的城市工业污水处理厂，一般首选A2/O工艺。
（3）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥工业污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其反应机理及去除污染物的机理与传
统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。
1.2 SBR工艺
它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。 SBR具有以下优点：
1、 理想的推流过程使生化反应推动力增大，效率提高，池内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。
2、 运行效果稳定，污水在理想的静止状态下沉淀，需要时间短、效率高，出水水质好。
3、 耐冲击负荷，池内有滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有机污物的冲击。
4、 工艺过程中的各工序可根据水质、水量进行调整，运行灵活。 5、 处理设备少，构造简单，便于操作和维护管理。
6、 反应池内存在DO、BOD5浓度梯度，有效控制活性污泥膨胀。
7、 SBR法系统本身也适合于组合式构造方法，利于废水处理厂的扩建和改造。 8、 脱氮除磷，适当控制运行方式，实现好氧、缺氧、厌氧状态交替，具有良好的脱氮除磷效果。
图一：SBR工艺流程
污水经进水泵经过粗细格栅到达格栅池经第一、二步处理，经提升泵进入曝气沉砂池经第三步处理，经提升泵进入调节池，再进入SBR反应池，经曝气，沉淀，排水，刮泥。
粗格栅机是由一种独特的耙齿厂装配成一组回转格栅链。在电机减速器的驱动下，耙齿链进行逆水流方向回转运动。 齿链进行逆水流方向回转运动。耙齿链运转到设备的上部时，由于槽轮和弯轨的导向，使每组耙齿之间产生相对自清运动，绝大部分固体物质靠重力落下。另一部分则依靠清扫器的反向运动把粘在耙齿上的杂物清扫干净。按水流方向耙齿链类同于格栅，在耙齿链轴上装配的耙齿间隙可以根据使用条件进行选择。当耙齿把流体中的固态悬浮物分离后可以保证水流畅通流过。整个工作过程是连续的，也可以是间歇的。
细格栅机是由一种独特的耙齿厂装配成一组回转格栅链。在电机减速器的驱动下，耙齿链进行逆水流方向回转运动。耙齿链运转到设备的上部时，由于槽轮和弯轨的导向，使每组耙齿之间产生相对自清运动，绝大部分固体物质靠重力落下。另一部分则依靠清扫器的反向运动把粘在耙齿上的杂物清扫干净。按水流方向耙齿链类同于格栅，在耙齿链轴上装配的耙齿间隙可以根据使用条件进行选择。当耙齿把流体中的固态悬浮物分离后可以保证水流畅通流过。整个工作过程是连续的，也可以是间歇的。
曝气沉砂池： 是一长形渠道，沿渠壁一侧的整个长度方向，距池底60-90cm处安设曝气装置，在其下部设集砂斗，池底有i=0.1-0.5的坡度，以保证砂粒滑入。由于曝气作用，废水中有机颗粒经常处于悬浮状态，砂粒互相摩擦并承受曝气的剪切力，砂粒上附着的有机污染物能够去除，有利于取得较为纯净的砂粒。 在旋流的离心力作用下，这些密度较大的砂粒被甩向外部沉入集砂槽，而密度较小的有机物随水流向前流动被带到下一处理单元。另外，在水中曝气可脱臭，改善水质，有利于后续处理，还可起到预曝气作用。
普通沉砂池截留的沉砂中夹杂有百分之15的有机物，使沉砂的后续处理难度增加，采用曝气沉砂池，可在一定程度上克服此缺点。 曝气沉沙池从20世纪50年代开始使用。其特点为： （1）沉沙中含有有机物的量低于5%。
（2）由于池中设有曝气设备，它具有预曝气、脱臭、除泡作用以及加速污水中油类和浮渣的分离作用。
优点：曝气沉沙池对后续的沉淀池、曝气池、污泥消化池的正常运行及对沉沙的最终处置提供了有利条件。
缺点：曝气作用要消耗能量，对生物脱氮除磷系统的厌氧段或缺氧段的运行存在不利影响。
滗水器：滗水器可根据工艺要求设计滗水深度。采用PLC 程控智能驱动，滗水器接到排水指令后快速将滗水堰口由停放位置移动到水面以下停止、排水；待清水排完后，滗水器又接到排水指令快速将滗水堰口由停放位置移动到水面以下停止，排水；如此反复。当滗水器到达最低水位后，安放在最低水位的液位开关发出返回指令，滗水器快速回升到最初的停放位置，完成一个工作循环。在堰口规定的负荷范围内、堰口下液面不会扰动。堰口设有浮筒和挡渣板，确保出水水质。滗水器至主排水管为不锈钢刚性连接，避免了因软连接造成的故障率高、寿命短、维修工作强度大等弊病。整个滗水器具有坚固的支架，可以承受工作中的各种应力
刮泥机：JGZG周边传动刮泥机，是一种排泥设备。用于城市污水处理厂、自来水厂以及工业废水处理中直径较大的圆形沉淀池中，排除沉降在池底的污泥和撇除池面的浮渣。
组成部分：刮泥机由驱动装置、工作桥、主刮泥装置、辅助刮泥装置、中心转盘、撇渣装置、溢流堰板和挡渣板、集电装置等组成。对于中心进水周边出水沉淀池，一般还需设置导流筒。用于为达到最佳沉淀排泥效果，刮泥机主要有周边转动刮泥器、中心传动浓缩刮泥机。中心传动浓缩刮泥机主要由溢流装置、大梁及拦杆、进口管、传动装置、电器箱、稳流筒、主轴、浮渣耙板、刮集装置、水下轴承、小刮刀、渣斗、浮渣耙板等组成。中心传动浓缩刮泥机能进一步分离浓缩池污泥中的自由水分，以减少污泥的体积，提高污泥浓度，将浓缩后污泥排除池外。
1.3控制设计
图2：控制系统组成 输入量
X0 启动 X1 停止 X2 格栅池最高位 X3 曝气沉砂池最高位
X4 调节池最高位 X5 反应池最高位 X6 反应池最低位 X7 粗格栅液位差计 X8 细格栅液位差计 输出量
Y0 进水泵 Y1 粗格栅机 Y2细格栅机 Y3 提升泵 Y4 提升泵 Y5 提升泵 Y6 鼓风机 Y7 滗水器 Y8 刮泥机 Y9 粗格栅除污机 Y10 细格栅除污机
Y11 曝气机
2.系统硬件接线图
3 流程图
4控制程序梯形图:
4结束语
这次设计性实验，我运用到了自己在课堂上学到的多科的理论知识，而且动手能力及程序调试方面都得到了提高。同时我也体会到了理论知识与实践操作之间的差距，自己在某些知识方面还是有很大的欠缺，自己编程的能力有待提高，不能仅仅只停留在看懂程序，要慢慢学会自己编程，是自己的编程能力得到提高。
参考文献
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基于PLC的污水处理系统设计
